Táto stránka poskytuje krátky prehľad o tom, ako klimatické modely pracujú, a niektoré podrobnosti o modeloch, používaných v experimentoch projektu climateprediction.net.

Úvod do klimatických modelov

Čo je klimatický model? Klimatické modely sú číselnými reprezentáciami rôznych častí zemského klimatického systému. Existujú dva spôsoby náhľadu na ich zostavenie. Podľa prvého, vedci skúšajú zredukovať súhrn správania sa klímy zmenšovaním súboru matematických rovníc v nádeji, že môžu potom lepšie porozumieť procesom, ktoré v nej prebiehajú. To je vlastné hlavne značne jednoduchým modelom. V prípade lepšieho stavu techník modelov všeobecnej cirkulácie (General Circulation Models / Global Climate Models - GCM), ako napr. model používaný v climateprediction.net experimente, to je viac prípadov pokúšania sa reprezentovať všetko, aj keď veci potom sa stanú tak komplikované, že nemôžeme vždy rozumieť o čo ide. Rovnice sú doladené v rozumných medziach tak, aby model pracoval tak dobre, ako je možné vo vyrábaní minulého a aktuálneho podnebia (v porovnaní s archivovanými pozorovaniami). Taký model môže potom byť použitý k vyskúšaniu predpovede, aká klíma sa chystá v budúcnosti.

GCM skúšajú simulovať tak veľa o klimatickom systéme, ako je možné. Prichádzajúce a odchádzajúce žiarenie, spôsob presunov vzduchu, spôsob formovania oblakov a spad zrážok, spôsob ako pevninský ľadovcový príkrov narastá alebo sa zmenšuje, atď. Často sú (ako v modeli ktorý používame) spriahnuté s reprezentovaním oceánu. Môžu vziať do úvahy, ako sa mení vegetácia na zemskom povrchu. Kriticky sa pokúšajú vyrátať, ako všetky tieto rozdielne časti klimatického systému vzájomne pôsobia, a tiež ako spätná väzba procesov  pracuje.

To je dôvod, prečo "najlepšie" názory na budúcnosť klímy pochádzajú skôr  z modelov všeobecnej cirkulácie, než zo zjednodušených modelov.

Zjednotený model

Atmosférická časť modelu používaného v climateprediction.net je zjednotený model, zavedený UK Met Office. Je to ten istý model, ktorý je používaný k tvorbe každej predpovede počasia, ktorú môžete vidieť v britskej terestriálnej televízii. Sú tam pochopiteľne niektoré rozdiely medzi spôsobmi, ako je model používaný na produkciu komerčnej predpovede počasia a ako ho používame my. Najviac očividný rozdiel je rozlíšenie. Obrázok 1 ukazuje rozdiel v rozlíšení nad Britskými ostrovmi. Rozlíšenie, ktoré používame my, by zrejme bolo celkom zbytočné pre ľudí zvedavých na to, koľko má napršať v Manchesteri (napríklad).

Horizontálne rozlíšenie – bunky mriežky

GCM pracujú počítaním, čo klíma robí (kvôli vetru, teplote, vlhkosti, atď.) v množstve diskrétnych bodov na zemskom povrchu a v atmosfére / oceáne. Tieto body sú usporiadané ako mriežka pokrývajúca povrch Zeme, rozdelená do veľa malých rámčekov  (viď obrázok 2). Čím viac rámčekov tam je, tým jemnejšie rozlíšenie modelu a menšiu mierku klimatických čŕt môže reprezentovať. Z tohto hľadiska, najlepší klimatický model by bol ten s najskvelejším rozlíšením. Žiaľ, toto má nevýhody. Čím viac bodov, tým viac výpočtov musí byť urobených, a tak model zaberá viac strojového času na výpočet. Všeobecne teda musíme robiť kompromis medzi rozlíšením a dobou výpočtu. Pre predpoveď počasia, ktorá sa zaoberá len tým čo sa chystá udiať v nasledujúcich asi 5 dňoch , rozlíšenie môže byť oveľa jemnejšie než klimatická predpoveď, ktorá sa zaoberá nasledujúcimi niekoľkými stovkami rokov! Paleoklimatickí modelári, ktorí sa zaujímajú čo podnebie robilo tisíce rokov dozadu, musia používať dokonca hrubšie rozlíšenie modelov.

To je dôvod, prečo v climateprediction.net modele sú len 4 políčka mriežky nad Britskými ostrovmi. To samozrejme neurobí veľmi dobrú reprezentáciu klímy napríklad v Lake District (jazerný kraj v Škótsku), čo je hornatý región, ktorý zaberá oblasť oveľa menšiu než jedna bunka mriežky. Ale malo by to dať dosť presný obraz klímy veľkej mierky, napríklad Britských ostrovov. Rozlíšenie je 2,5° v zemepisnej šírke na 3,75° v dĺžke.

Vertikálne rozlíšenie - hladiny

Podobne ako horizontálna mriežka, vertikálny profil atmosféry je rozdelený do niekoľkých rozdielnych hladín. Model používaný v climateprediction.net má 19 vertikálnych hladín v atmosfére (a 20 v oceáne). Obrázok 3 ukazuje, ako sú rozložené s výškou. Na rozdiel od horizontálnej mriežky, vertikálna mriežka nie je rovnomerne rozložená. Nie je dokonca rovnomerne rozložená ani podľa tlaku, čo by mohlo dávať zmysel, ak napríklad hladiny 950 hPa (blízko povrchu) a 900 hPa (o trochu vyššie) by mali rovnakú hmotnosť vzduchu medzi sebou, ako 100 hPa a 50 hPa hladiny. Napriek tomu je fyzikálna vzdialenosť medzi nimi oveľa menšia. To je preto, že hustota vzduchu klesá exponenciálne so vzdialenosťou od zemského povrchu. Rozdiel v tlaku vzduchu medzi vrcholom Everestu (okolo 10 km výšky) a výšky okolo 9 km  je oveľa menší, než rozdiel v tlaku vzduchu medzi morskou hladinou a 1 km výšky.

Hladiny sú v skutočnosti nerovnomerne rozložené práve kvôli tlaku. Preto môžu byť koncentrované v oblasti blízko povrchu, kde chceme viac vedieť čo tu prebieha, než v ostatných hladinách. Hladiny modelu berú do úvahy tvar povrchu; teda hladina zrazu nezanikne keď pretína pohorie! Najvyššia hladina je vo výške okolo 30 km, uprostred stratosféry.

Ako výsledok horizontálneho a vertikálneho rozdelenia atmosféry je efektívne rozdelenie do trojrozmerných buniek; obrázok 4 ukazuje ako.

Časové kroky

Rovnako, ako rozdelenie atmosféry do buniek, čas tiež postupuje v konečných intervaloch. V climateprediction.net modele je základný časový krok polhodina. Model začína od nastavenia počiatočných podmienok pre atmosféru a oceán a potom počíta, ako sa budú vyvíjať po polhodine, 1 hodine atď. Zvolenie časového kroku nie je jednoduché. Ak sa chce počítať model na 50 rokov tak rýchlo ako je to len možné, musí sa použiť tak veľký časový krok, ako je únosné. Žiaľ, toto nie je možné, pretože s časovým krokom nad istú kritickú úroveň sa model stáva nestabilným a výpočet sa zastaví. Vo veľmi zjednodušených podmienkach môžete myslieť na to, čo sa stane, keď časový krok je tak veľký, že vzduch (alebo presnejšie energia) môže precestovať viac než jednu bunku mriežky za jeden časový krok, a tak sa stáva nemožným presne určiť, ako sa polia vyvíjajú. Avšak, niektoré veci v atmosfére sa menia rýchlejšie než iné, a tak ich treba počítať častejšie. Teda napríklad, dynamika (v podstate pohyb vzduchu) potrebuje byť vypočítaná každú polovicu hodiny, ale žiarenie (rovnováha prichádzajúcej a odchádzajúcej energie) môže byť počítané menej často. To je príčina, prečo sa zdá, ak sledujete činnosť modelu, dokončenie niektorých časových krokov oveľa rýchlejšie než iných.

Parametrizácia

Problém s rozdelením atmosféry do mnoho malých kociek je, že je mnoho procesov, ktoré sú menšie než kocky. Teda napríklad, jednotlivé mraky môžu byť spoľahlivo menšie než bunka mriežky. Stále však hrajú dôležitú úlohu v klimatickom systéme, obzvlášť súhrnne, takže procesy, ktoré ich formujú a dôsledky z nich plynúce, musia byť reprezentované. Rovnako, napríklad podľa znalostí teploty a vlhkosti v bunke, musíme stanoviť, koľko oblačnosti a koľko zrážok je v bunke. Tiež potrebujeme poznať, koľko prachu (t.j. 'aerosólu') je v bunke, keďže na vytvorenie dažďovej kvapky vo vzduchu stačí i veľmi malá pevná častica. Tento proces nastavenia sa volá parametrizácia. Je mnoho parametrizačných návrhov v modeli, takých ako návrh počítajúci množstvo obsiahnutej oblačnosti. Niektoré z týchto návrhov sú dobre viazané s pozorovaniami a verí sa, že sú úplne spoľahlivé, ale iné sú oveľa menej dobre pochopené a nie sme si v nich veľmi istí.

Oceánske modely a ich interakcia s atmosférou

Oceán, podobne ako atmosféra, je tekutá zložka klimatického systému a musí byť reprezentovaný v klimatických modeloch. Teplo a voda sú prenášané medzi oceánom a atmosférou, a tieto procesy musia byť reprezentované tak presne ako je možné. Taktiež rýchlosť vetra na povrchu ovplyvňuje postup, keďže povrch oceánu je miešaný, a teda ako rýchlo reaguje na zmenu atmosférickej teploty.

Oceánske "systémy počasia" alebo víry majú sklon byť často menšie než atmosférické systémy počasia, preto oceánske zložky klimatických modelov inklinujú mať jemnejšie rozlíšenie než zložky atmosféry. Oceánom trvá omnoho dlhšie reagovať na zmeny v rovnováhe medzi prichádzajúcim a odchádzajúcim žiarením než atmosfére. Toto znamená, že oceánske modely potrebujú bežať po mnoho desaťročí, keď majú byť zahrnuté do klimatických predpovedí. Tieto faktory znamenajú, že vyžadujú významne viac výpočtového výkonu než atmosférické modely. To je niekedy obídené použitím zjednodušeného modelu nazvaného "slab ocean" (plochého oceánu), ktorý efektívne reprezentuje len povrchových 50 m oceánu, so žiadnymi hlbinnými morský prúdmi, ktoré môžu dopravovať obrovské množstvo tepla, aj keď veľmi veľmi pomaly. Účinky prúdov preto musia byť parametrizované.

Ako model "plochý oceán", tak aj 'kompletný' oceánsky model budú použité v  climateprediction.net experimente. Tento 'kompletný' oceánsky model použitý climateprediction.net experimentom 2 má v skutočnosti rovnaké horizontálne rozlíšenie (2.5° v zemepisnej šírke na 3.75° v dĺžke) ako atmosféra, a 20 vertikálnych hladín, s jemnejším vertikálnym rozlíšením v blízkosti povrchu.

Zjednotený model beží asynchrónne, čo znamená, že atmosférický model beží ako prvý po určitý čas, potom oceánsky model beží po rovnaký čas, s pravidelným prepínaním. V prípade modelu použitého v climateprediction.net experimente bežia jednotlivé komponenty v časovom intervale jedného dňa.

Toky tepla, vetra, a sladkej vody sú odovzdávané medzi oceánskym modelom a atmosferickým modelom na rozhraní oceán - atmosféra.

Chaos, množiny a pravdepodobnosti

Prečo je počasie tak nepredvídateľné? Nie je náhodné, pretože to by znamenalo, že by nebol žiadny možný spôsob dozvedieť sa, čo sa chystá robiť ďalej, ale iba chaotické. Počasie však počúva zákony fyziky, kde každý jav má príčinu. Problém je, že je tak mnoho možných príčin, že nemôžeme dostatočne vedieť o všetkých z nich. Mnohokrát citovaný príklad (ktorý vznikol od Eda Lorenza v r. 1960) je, že motýlie zamávanie krídlami v Amazonskom dažďovom lese by mohlo mať, napriek veľkej vzdialenosti nepravdepodobné, ale možné dôsledky, spôsobujúce búrku nad Texasom.

Pre ďalší príklad si predstavme palicu, pustenú do vody na strane mostíka proti prúdu, nad plytkým tokom. Akonáhle pustíte palicu, vytvorí sa kruh a bude pôsobiť presne kde a ako dopadne na vodu. Pod mostíkom sú skaly a vegetácia, čo spôsobí nepravidelnosti v prúde toku. Nepatrný tlak na palicu pri jej hodení by mohol spôsobiť rozdiel, či pôjde na jednu alebo druhú stranu pri dosiahnutí prvej skaly, a toto by mohlo robiť rozdiel, či sa prilepí k nejakej vegetácii, alebo zostane v rýchlo tečúcej vode. Ak prebehnete k druhej strane mostíka, aby ste sledovali palicu, je prakticky nemožné predpovedať, či a kde sa objaví, pretože neviete, čo sa s ňou stalo pod mostíkom. Aj keď viete presne ako dno toku vyzerá, skutočnosť, že je neistota v spôsobe hodenia palice znamená, že je mnoho možných spôsobov, ako by mohla podísť mostík.

Teda znamená to, že výroba presnej predpovede počasia, alebo klimatickej prognózy, je beznádejná vec? Odpoveď je - nie! Potrebujeme si urobiť predstavu o všetkých možných spôsoboch, ako by sa atmosféra mohla vyvíjať, a aká možnosť, alebo pravdepodobnosť, každého možného spôsobu je. Spôsob, ktorým to robíme, je činnosť množiny GCM výpočtov. Množina je kolekcia výpočtov toho istého GCM, ktoré sa líšia veľmi nepatrne v ich počiatočných podmienkach (teda napríklad, môže byť 1% diferencia v rýchlosti vetra nad Oxfordom), alebo ich parametrizácii. Veľkosti množín variujú obrovsky. Európske centrum strednodobej predpovede počasia - The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) aktuálne používa množinu 50 na vytvorenie predpovede počasia. V climateprediction.net predpokladáme množiny s miliónmi členov! To potom umožní vybudovať štatistiky pre množstvo členov množiny, vyrobených každým prijateľným výsledkom.  Napríklad, obrázok 5 ukazuje (vyrobené!) teploty Londýna z množiny s 500 členmi. Môžete tam vidieť veľmi široký rozsah možných teplôt. Sú tu niektoré rozmedzia -  predvídanie teploty pod 10 °C alebo nad 21 °C. Avšak, väčšina výpočtov predpovedala teploty medzi (13-18)°C, a tam je jasný vrchol pri 15,5 °C.

Náš najlepší odhad, aká teplota je skutočne predpokladaná, je ten, ktorý najviac výpočtov predpovedalo, t.j. ten s najväčšou pravdepodobnosťou. Grafy ako tento voláme Probability Density Functions, alebo pdf - hustota rozloženia pravdepodobnosti.

Projekcie máp, zemepisná šírka a dĺžka

Zemepisná šírka: Stupeň vzdialenosti od rovníka. Rovník je 0° zemepisnej šírky a severný a južný pól sú na +90° a -90° zemepisných šírok.  Čiary zemepisnej šírky sú čiary, spájajúce všetky miesta s rovnakou zemepisnou šírkou, teda bežia dookola zemegule. Na  obrázku 6 sú horizontálne (rovnobežky). Ak pôjdete priamo na sever medzi 0° zemepisnej šírky a 1° N (S), prekonáte presne rovnakú vzdialenosť ako by ste išli medzi 89° N (S) a 90° N (S). Avšak, ak si predstavíte chodenie dookola Zeme pozdĺž línií zemepisnej šírky, budete musieť chodiť oveľa viac, aby ste prešli celý rovník než, napríklad, na 50°S (J).

Zemepisná dĺžka: Stupeň, ako ďaleko východne alebo západne sa nachádzate. Grenwichský poludník, predchádza cez východný Londýn, je 0° zemepisnej dĺžky a dátumová hranica, zostupujúca stredom Pacifiku, je 180°. Čiary zemepisnej dĺžky sú čiary spájajúce všetky miesta s rovnakou zemepisnou dĺžkou, teda bežia od pólu k pólu. Na obrázku 6 sú to vertikálne oblúky. Ak obchádzate rovník,  vzdialenosť  medzi 80°E (V) a 90°E (V) je rovnaká ako medzi 130°E (V) a 140°E (V). Avšak, pri póloch sú línie dĺžky oveľa tesnejšie pri sebe než na rovníku, teda vzdialenosť medzi 80°E a 90° E je menšia, než je to na rovníku.

Projekcia mapy je pokus o kresbu plochy 3 rozmernej, guľovitej Zeme na plochu, 2-rozmerný (2 D) kus papiera / počítačovú obrazovku. Za týmto účelom musia byť urobené kompromisy. Nie je možné mať všetko celkom presné. Napríklad, uhol z miesta na miesto by mohol byť skreslený, alebo pomerná veľkosť jednej krajiny vzhľadom k inej by mohla byť mylná. V mnohých projekciách, takých ako valcová projekcia, pevnina musí byť natiahnutá na póloch k úhľadnému vyplneniu pravouhlej plochy. Toto znamená, že krajiny bližšie k pólom (také ako U.K. - VB) sa javia oveľa väčšie vzhľadom ku krajinám bližšie k rovníku (takým ako krajiny v Afrike), než v skutočnosti sú.

Projekt climateprediction.net používa na grafiku najjednoduchšiu, valcovú ekvidištančnú, projekciu.

Príklady šírok a dĺžok

• Obratník Raka 23.5 °N
• Obratník Kozorožca 23.5 °S
• Arktický polárny kruh 66.5 °N
• Antarktický polárny kruh 66.5 °S
• Londýn (UK) 0 °W, 51.5 °N
• Denver, Colorado (USA) 105 °W 39 °N
• Milton Keynes (UK) 1 °W 52 °N
• Alica Springs (Austrália) 134 °E 23 °S
• Hawaii (USA) 155 °W 20 °N
• Moskva (Rusko) 38 °E 56 °N
• Kapské Mesto (Južná Afrika) 18 °E 33 °S
• Rio de Janeiro (Brazília) 43 °W 23 °S

Pre podrobnejšie technické informácie o jednotnom modeli navštívte web stránku UGAMP

Zdroj: projektové stránky CPDN